海洋大氣學門重點計畫-次中尺度海氣象因子之時空變異特性觀測研究

為掌握海洋與大氣不穩定性存在的條件，以及海氣象因子於次中尺度之空間分佈、變異量、成因及其對海氣交互作用影響。本研究分別以台灣北部海域東海南側及北極北冰洋海域為研究對象，以微型資料浮標陣列及船基全球定位系統(GPS & SBAS)信號軟體接收系統，實際觀測波浪參數、海表溫度(Sea Surface Temperature， SST)、海表流速、海表粗糙度(Mean Square Slope, MSS)，四種海氣象因子，配合衛星遙測海表濕度，用以估計海氣交互作用熱量通量，並以序率方法描述所觀測海域海氣象因子的空間(spatial)變異量(variability)。本計畫於台灣北部海域進行現場觀測實驗，所獲得及累積之第一手資料可以促進對海洋次中尺度系統之理解。與前人研究之LASER實驗相比，本計畫使用之浮標在觀測項目，新增海表溫、海表粗糙度、波浪參數等觀測功能，對於海氣交互作用可以有更深入的探討。也試圖觀測颱風過程的極端海象，第一年度所布放的浮標，有數個進入圓規颱風暴風圈內，紀錄極端海象下的海氣交互作用。同時，本計畫為台灣首度進行極地海域現地調查及監測的研究，於第一年執行期間，成功地於北冰洋海冰邊緣布放海洋浮標，使其沿西史畢柏根洋流(West Spitsbergen Current, WSC)進入極區海域，紀錄過程中海洋暖流的溫度變化，計算周邊水體的熱交換與擴散速率，也紀錄極地風暴過程的風浪與湧浪，與海氣交互作用通量，用以增加對於北極海冰融解速度的掌握與預測。這些前瞻性的嘗試，對於推動台灣的極地研究，所產生的科學成果與資料對於爭取台灣參與國際極地外交事務是一大有利。在社會影響方面，研究成果對於海洋災害預警減災之貢獻分別加以說明。異常巨浪(Freak wave)，俗稱「瘋狗浪」，被描述為僅有單一波峰，波高為數公尺，波浪尖銳度很高的波浪，常出現在沿海區域，因其常發生在深水波非線性不穩定系統中，具有難以預測性。瘋狗浪的發生即為海洋次中尺度系統之一例，代表波浪能量在海洋分布極端不均勻之特性。當波浪受上層海洋之次中尺度系統或瞬變天氣系統之影響，導致能量集中傳遞至近岸，瘋狗浪即可能發生。Janssen(2003)、Mori(2012)研究發現，波浪非線性程度(nonlinearity)與波浪延散程度(dispersion)的比值，或被稱為Benjamin-Feir Index (BFI)，與出現較大波高的機率相關(Mori，2012)。BFI 為波浪尖銳度(wave steepness)和波譜寬度(spectral bandwidth)的比值，Janssen(2003)發現BFI與freak wave發生機率相關。因其難以預測，常無預警地對離岸結構物與海上航船造成嚴重損害，更危及海岸活動民眾的生命財產安全。本研究可藉由浮標觀測波浪參數推算BFI參數之時空變化及其與其他相關因子之關係，可期望對於瘋狗浪之特性有進一步掌握。而極端降雨事件愈趨頻繁化為全球氣候變遷下所關注之議題。Shao(2019)通過LASER及船測實驗，由對次中尺度海洋鋒面海氣通量的直接觀測中發現，次中尺度海洋系統的熱量通量是bulk equation計算通量之1.5倍。本研究亦期待對於次中尺度海洋系統上海氣交互作用中水汽通量有進一步了解，更新參數化方案，進而有改善極端降雨事件預報的潛力。